湖工SG3525正弦波逆變電源設計

1、湖南工程學院課 程 設 計課程名稱 電力電子技術 課題名稱 SG3525正弦波逆變電源設計 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 指導教師 2011年 12 月 30 日湖南工程學院課程設計任務書 課程名稱： 電力電子技術 題 目：SG3525正弦波逆變電源設計 專業(yè)班級： 學生姓名： 學號： 指導老師： 審 批： 任務書下達日期 2011 年 12 月 18 日設計完成日期 2011 年 12 月 30 日設計內(nèi)容與設計要求一 設計內(nèi)容：1 電路功能：1） 逆變就是將直流變?yōu)榻涣?。由波形發(fā)生器產(chǎn)生50Hz、幅度可變的正弦波，與鋸齒波比較后，再通過PWM電路，輸出SPWM波，經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動逆變電路

2、進行逆變，再經(jīng)過高頻變壓器與濾波電路輸出-50Hz的正弦波。2） 電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：高頻逆變電路、濾波環(huán)節(jié)。控制電路主要環(huán)節(jié)：正弦信號發(fā)生電路、脈寬調(diào)制PWM、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路。3） 功率變換電路中的高頻開關器件采用IGBT或MOSFET。4） 系統(tǒng)具有完善的保護2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電路設計與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的計算及選型3）主電路保護環(huán)節(jié)設計4. 控制電路設計與分析1） 檢測電路設計2） 功能單元電路設計3） 觸發(fā)電路設計4） 控制電路參數(shù)確定二 設計要求：1 要求輸出正弦波的幅度可調(diào)。2 用SG3525產(chǎn)生脈沖。3 設計思路

3、清晰，給出整體設計框圖；4 單元電路設計，給出具體設計思路和電路；5 分析所有單元電路與總電路的工作原理，并給出必要的波形分析。6 繪制總電路圖7 寫出設計報告；主要設計條件1 設計依據(jù)主要參數(shù)1） 輸入輸出電壓：輸入（DC）+15V、10V（AC）2） 輸出電流：1A3） 電壓調(diào)整率：1%4） 負載調(diào)整率：1%5） 效率：0.8 2. 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設計封面；2 任務書；3 說明書目錄；4 設計總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）；5 單元電路設計（各單元電路圖）；6 故障分析與電路改進、實驗及仿真等。7 總結(jié)與體會；8 附錄（完整的總電路圖）；9 參考文獻；11、

4、課程設計成績評分表 進 度 安 排 第一周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料； 星期二:總體電路方案確定 星期三:主電路設計星期四:控制電路設計 星期五:控制電路設計；第二周星期一: 控制電路設計星期二：電路原理及波形分析、實驗調(diào)試及仿真等星期四五:寫設計報告，打印相關圖紙； 星期五下午:答辯及資料整理 目錄第1章 概述·······················

5、83;·············11.1 課題來源··································11.2 解

6、決方法··································11.3 優(yōu)勢··············&#

7、183;·······················2第2章 項目總體設計························

8、83;····22.1 設計總體思路·······························22.1 基本工作原理···········

9、;····················32.3 設計框圖····························&#

10、183;······4第3章 主電路設計·······························5 3.1 主電路結(jié)構(gòu)設計········

11、83;····················5 3.2 保護電路設計···························

12、83;···5第4章 單元電路設計·····························6 4.1 正弦信號發(fā)生電路·············&#

13、183;·············6 4.2 寬度調(diào)制PWM電路···························7 4.3 電壓電流檢測單元····

14、83;·······················11 4.4 驅(qū)動電路························

15、3;··········12第6章 總結(jié)與體會·······························13附錄1 總電路圖·····&

16、#183;···························14附錄2 參考文獻····················

17、83;············15附錄3 課程設計成績評分表·······················1617 第1章 概述1.1 課題來源 電力逆變電源有著廣泛的用途，它可用于各類交通工具，如汽車、各類艦船以及飛行器，在太陽能及風能發(fā)電領域，逆

18、變器有著不可替代的作用。電力控制系統(tǒng)的可靠程度是電力系統(tǒng)和設備可靠、高效運行的保證，而電力控制系統(tǒng)必須具備安全可靠的控制電源。電力系統(tǒng)中為保證變電所的諸如后臺機、分站RTU、通訊設備等能在交流電源停電后不間斷工作，工程做法一般采用UPS電源作為主要解決方案，但UPS電源存在容量小、價格貴、故障率高、維護量大等不足，因此綜合自動化變電所中可采用電力正弦波逆變電源來代替常規(guī)不間斷UPS電源。1.2 解決方法逆變電源是一種采用電力電子技術進行電能變換的裝置，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。利用逆變電源可以解決UPS電源存在的各種缺點，可以很好的運用在一些不能斷電的場合。本相正弦波SPWM逆

19、變電源的設計以SG3252為核心，采用了運算放大器、二極管、功率場效應管、電容和電阻等器件來組成電路。1.3 優(yōu)勢 1.降低了電力逆變器系統(tǒng)運行維護費用：現(xiàn)運行的綜合自動化變電所中，一般設后臺監(jiān)控微機，通訊設備大多為微波及光纖機等，此類監(jiān)控和通訊設備工作電源為交流電源，要做到不間斷供電，以滿足四遙要求，不同的設備須單獨裝設不間斷電源(UPS)和蓄電池組。而變電所中裝設逆變電源可直接利用所用直流電源系統(tǒng)的大容量蓄電池提供交流電源，比UPS供電方案節(jié)約了投資費用，避免了蓄電池組的重復投資，減少了維護工作量，降低了運行成本。 2.提高了電力逆變器供電可靠性：中裝設的直流電源系統(tǒng)，可靠性高、壽命長，因

20、此采用直流動力+逆變器方案，利用所用直流電源系統(tǒng)的監(jiān)控功能和逆變器的通訊功能可遠方實時監(jiān)視逆變電源的運行狀態(tài)，解決了常規(guī)UPS電源的蓄電池容量小、無監(jiān)控，容易出現(xiàn)蓄電池損壞又不能及時發(fā)現(xiàn)的問題。由于變電所直流電源系統(tǒng)蓄電池的大容量，電網(wǎng)斷電后不間斷供電時間大大延長，真正起到了保安電源的作用，提高了其供電可靠性。 3.提高了電力逆變器供電的安全性：力逆變器是新一代的DC/AC電源產(chǎn)品，輸入為220V直流電，輸出為220V、50Hz正弦波交流電，輸入輸出端完全與市電隔離，避免了市電波動對負載的影響，完全滿足變電所分站RTU、通訊設備和微機等設備對工作電源的要求，而完全與市電隔離，還可避免雷電等過電

21、壓造成的電源板燒毀事故，提高了負載的安全性。第2章 項目總體設計2.1 設計總體思路本設計采用單相橋式逆變電路進行設計。逆變器主電路開關管采用功率MOSFET，具有開關頻率高，驅(qū)動電路簡單等特點。當開關期間，VT1,VT2輪流導通，即可在負載端得到所需幅值與頻率的電源。脈寬調(diào)制信號由專用的集成芯片SG3252產(chǎn)生。由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一幅度可變的正弦波，送人SG3525輸出經(jīng)調(diào)制的SPWM波形，經(jīng)過反相器反相后，得到兩路互為反相的PWM驅(qū)動信號，分別驅(qū)動功率場效應管交替導通，從而在高頻變壓器的副邊得到一SPWM波形，經(jīng)過LC濾波后，得到所需的正弦波，幅度可通過電位器RP進行改變。2.2 基本工作

22、原理逆變器主電路開關管采用功率MOSFET管，具有開關頻率高、驅(qū)動電路簡單、系統(tǒng)效率較高的特點。當開關其間VT1、VT2輪流導通即可在負載端得到所需頻率與幅值的交流電源。脈寬調(diào)制信號由專用集成芯片SG3525產(chǎn)生。SG3525芯片不僅能產(chǎn)生頻率靈活可變的方波，而且可輸出正弦PWM（SPWM）信號，以提高后接變壓器的工作頻率。為了使SG3525產(chǎn)生一個SPWM信號，可在芯片的9腳處加入一個幅度可變的50Hz正弦波（我們這里僅需得到頻率固定的50Hz可變電源，若需獲得頻率也可變的交變電源，則只需在9腳處加入一個幅值與頻率均可變的正弦波即可），與5腳處的鋸齒波信號進行比較，從而獲得SPWM控制信號，

23、改變正弦波的幅值，即改變調(diào)制度M（調(diào)制度定義為正弦波調(diào)制波峰Urm與鋸齒波載波峰值Utm之比，即M=Urm/Utm）就可以改變輸出電壓的幅值，正常M1。考慮到5腳處的鋸齒波如圖a所示，鋸齒波的頂點UH約為3.3V，谷點UL約為0.9V。tUSWUHULU50Hztab2.3 設計框圖正弦波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器（SG3252）PWM電路（SG3252）SPWM波逆變電路驅(qū)動電路濾波電路輸出正弦波電壓電流檢測單元電路保護電路第3章 主電路設計 3.1 主電路結(jié)構(gòu)設計單相橋式逆變電路基本工作原理：圖所示的單相全橋逆變電路主要由逆變電路和控制電路組成。逆變電路包括逆變?nèi)珮蚝蜑V波電路，其中逆變?nèi)珮蛲瓿芍绷?/p>

24、到交流的變換濾波電路濾除諧波成分以獲得需要的交流電；控制電路完成對逆變橋中開關管的控制并實現(xiàn)部分保護功能。  圖中的逆變?nèi)珮蛴?個開關管和4個續(xù)流二極管組成，工作時開關管在高頻條件下通斷開關瞬間開關管電壓和電流變大，損耗大，結(jié)溫升高，加上功率回路寄生電感、振蕩及噪聲等極易導致開關管瞬間損壞，以往常用分立元件設計開關管的保護電路和驅(qū)動電路，導致電路龐大且不可靠。3.2 保護電路輸入過電壓和欠電壓保護電路：基本工作原理：如上圖所示，直流電壓保護信號取自自主電路輸入電壓，經(jīng)電阻R84分壓和管夠隔離后送入控制電路。利用光電耦合器吧各種模擬負載和數(shù)字信號隔離開來，也就是吧“模擬地”與

25、“數(shù)字地”斷開。進過光耦的保護信號通過比較器分別與設定的最大或最小電壓值進行比較，如果電壓值超過限定值，比較器就輸出低電平。比較器的輸出信號相與，所得的信號送入DSP的PDPINT中斷口。當器件引腳PDPINT被拉低時，會產(chǎn)生一個外部中斷，這個中斷是為系統(tǒng)的安全操作提供的。如果PIPINT未被屏蔽，且被拉低后，所有的PWM輸出均為高阻態(tài)。這樣就可以在過流等故障的情況下，吧逆變器的的PWM控制信號封死，從而實現(xiàn)對逆變器的保護。第4章 單元電路設計4.1 正弦信號發(fā)生電路正弦波發(fā)生電路圖:正弦波發(fā)生電路工作原理：由上圖可知，正弦波發(fā)生器由兩部分組成，前半部分為RC串并聯(lián)型正弦波振蕩器，振蕩頻率設定

26、在50Hz，調(diào)節(jié)電位器RP（即實驗掛箱面板上的幅度調(diào)節(jié)電位器），即可調(diào)節(jié)正弦波峰峰值，從而調(diào)節(jié)SPWM信號的脈沖寬度以及逆變電源輸出基波電壓的大小。正弦波發(fā)生器的后半部分為移位電路，將正負對稱的正弦波移位到第一象限，并使正弦波的谷點在0.9V之上。4.2 寬度調(diào)制PWM電路 SPWM控制原理：逆變電路理想的輸出電壓是圖2-1（a）正弦波u0=Uo1sint。而電壓型逆變電路的輸出電壓是方波，如果將一個正弦波半波電壓分成N等分，并把正弦曲線每一等分所包圍的面積都用一個與其面積相等的等副矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應正弦等分的中重合，得到如圖2-1（b）所示的脈沖列這就是PWM波形。正弦波

27、的另外一個半波可以用相同的方法來等效?？梢钥闯?，該PWM波形的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，稱為SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）波形。SPWM電壓等效正弦電壓 根據(jù)采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。脈沖頻率越高，SPWM波形越接近正弦波。逆變器的輸出電壓為SPWM波形時，其低次諧波將得到很好的抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可獲得畸變率極低的正弦波輸出電壓。 SPWM控制方式就是對逆變電路開關器件的通、斷進行控制，使輸出端得帶一系列幅值相等而狂度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形

28、。本設計是采用SG3525芯片來產(chǎn)生SPWM波。PWM控制芯片SG3525簡介： SG3525是電流控制性型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照反饋電流表調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差信號放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)。因此，無論開關電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。 （2）SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特性 SG3525引腳圖 1.相輸入端(引腳1):誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標稱值為80dB，其大小由反饋或

29、輸出負載而定，輸出負載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器的共模輸入電壓范圍為1.55.2V。此端通常接到與電源輸出連接的電阻分壓器上。負反饋控制時，將電源輸出電壓分壓后與基準電壓相比較。 2.相輸入端(引腳2):此端通常接到基準電壓引腳16的分壓電阻上，取得2.5V的基準比較電壓與引腳1的取樣電壓相比較。 3.步端(引腳3):為外同步用。需要多個芯片同步工作時，每個芯片有各自的振蕩可以分別與它們的引腳4相副腳3相連，這時所有芯片的工作頻率最快的芯片工作頻率同步;也可以使單個芯片以外部時鐘頻率工作。 4.步輸出端(引腳4):同步脈沖輸出。作為多個芯片同步工作時使用。5

30、.振蕩電容端(引腳5):振蕩電容一端接至引腳5，另一端直接接至地端。6.振蕩電阻端(引腳6):振蕩電阻一端接至引腳6，另一端直接接至地端。 7.放電端(引腳7):Ct的放電由5、7兩端的死區(qū)電阻決定。8.軟起動(引腳8):比較器的反相端，即軟起動器控制端(引腳8)，引腳8可外接軟起動電容。 9.補償端(引腳9):在誤差放大器輸出端引腳9與誤差放大器反相輸入端引腳1間接電阻與電容，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應特性。 10.鎖端(引腳10):引腳10為PWM鎖存器的一個輸入端，一般在該端接入過流檢測信號。 11.沖輸出端(引腳11、引腳14):輸出末級采用推挽輸出電路，驅(qū)動場效應功率管

31、時關斷速度更快。 12.地端(引腳12):該芯片上的所有電壓都是相對于引腳12而言，既是功率地也是信號地。13.挽輸出電路電壓輸入端嶼1腳13):作為推挽輸出級的電壓源，提高輸出級輸出功率。14.片電源端(引腳15):直流電源從引腳15引人分為兩路:一路作為內(nèi)部邏輯和模擬電路的工作電壓;另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生5.1V土1的內(nèi)部基準電壓。 15.準電壓端(引腳16):基準電壓端引腳16的電壓由內(nèi)部控制在5.1V土1。可以分壓后作為誤差放大器的參考電壓4.3 電壓電流檢測單元場效應晶體管與電阻相結(jié)合進行電流檢測電路： 如上圖 所示,這種檢測技術是上一種的改進形式,只不過它的檢測器件不是FET 而是小電阻。在這種檢測電路中檢測小電阻的阻值相對來說比檢測FET 的RDS要精確很多,其檢測精度也相對來說要高些,而且無需專門電路來保證功率FET 和檢測FET 漏端的電壓相等,降低了設計難度,但是其代價就是檢測小電阻所帶來的額外功率損耗比第一種檢測技術的1/ N 2 還要小( N 為功率FET 和檢測FET 的寬度之比) 。此技術的缺點在于,由于M1 ,M3 的V DS不相等(考慮VDS對IDS的影響), IM 與IS 之比并不嚴格等于N ,但這個偏差相對來說是很小的,在工程中N 應盡可能的大, RSENSE應盡可能的